CN102992624B

CN102992624B - 钴铒双掺玻璃陶瓷自调q激光材料及其制备

Info

Publication number: CN102992624B
Application number: CN201210533528.6A
Authority: CN
Inventors: 余运龙; 陈大钦; 张瑞; 王元生
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN102992624A

Abstract

本发明公开钴铒双掺玻璃陶瓷自调Q激光材料及其制备，涉及光功能材料领域。该玻璃陶瓷的摩尔百分比组分为：SiO₂:31.5‑41.5%，Al₂O₃:20‑28%,ZnO:5‑15%,YF₃:6‑18%,NaF:0‑18%,LiF:0‑18%,Ga₂O₃:5‑10%,CoO:0‑0.5%,ErF₃:0‑5%。采用熔体急冷法制备。该材料在1.1‑1.7微米波段具有强的吸收并在1.54微米波段具有强的发射，可用作1.54微米自调Q激光材料。

Description

钴铒双掺玻璃陶瓷自调Q激光材料及其制备

技术领域

本发明涉及光功能材料领域，尤其是涉及一种可作为1.54微米波段自调Q激光材料的钴铒共掺玻璃陶瓷及其制备工艺。

背景技术

自调Q激光材料兼具受激辐射与可饱和吸收二重性，做成的激光器具有结构紧凑、重复频率高、全固化、设计简单和成本低等优点。目前，通过将增益离子钕[S. zhou, K. K.Lee, Y. C. Chen, and S. Li, Opt. Lett. 18 (1993) 511 ]或镱[J. Dong, P. Deng,Y. Liu, Y. Zhang, G. Huang, and F. Gan, Chin. Phys. Lett. 19 (2002) 342]与饱和吸收离子铬共掺入基质材料中，已实现了在1-1.1微米波段的自调Q激光输出。但是针对人眼安全的1.54微米波段激光的自调Q材料却鲜见报道。1.54微米被动调Q激光因其在军事雷达、测距、污染监控和非线性光学处理等方面具有重要应用前景而被广泛研究。掺钴尖晶石晶体在0.9-1.8微米波长范围内有宽的吸收带且具有可饱和吸收特性而被用作掺铒玻璃（1.54微米）激光材料的饱和吸收体。近年来的研究发现掺钴含尖晶石纳米晶硅基玻璃陶瓷具有与掺钴尖晶石晶体类似的可饱和吸收特性，可用于1.54微米激光器的被动调Q。因此，在掺钴含尖晶石纳米晶相硅基透明玻璃陶瓷引入具有1.54微米发射的铒离子作为激光增益离子，就可以利用钴离子的可饱和吸收特性对铒离子的1.54微米波长激光实现自调Q。但是由于硅基玻璃的声子能量较高，使得铒离子的发射效率较低，限制了材料的应用。本发明在新型的含尖晶石铝酸锌（ZnAl₂O₄）纳米晶与正交相氟化钇(YF₃)纳米晶双晶化相玻璃陶瓷中共掺钴离子与铒离子，并通过控制热处理条件使掺杂离子选择性进入两种纳米晶相中，实现了材料兼具可饱和吸收与受激辐射二重特性，并利用氟化物声子能量低的优点提高铒离子的发光效率。本发明的玻璃陶瓷有望应用于1.54微米自调Q激光。

发明内容

本发明提出一种钴铒共掺的含尖晶石相ZnAl₂O₄纳米晶与正交相YF₃纳米晶双晶化相玻璃陶瓷的组分配方及其制备工艺，目的在于制备出兼具可饱和吸收与受激辐射双重特性的自调Q激光材料。

本发明的透明玻璃陶瓷组成为（摩尔百分比）： SiO₂:31.5-41.5%，Al₂O₃:20-28%,ZnO:5-15%, YF₃:6-18%, NaF:0-18%, LiF:0-18%, Ga₂O₃:5-10%, CoO:0-0.5%, ErF₃:0-5%。

本发明采用如下制备工艺：将原料按照一定组分配比混合均匀后置于坩埚中，于电炉中加热到1350-1550度后并保温0.5-2个小时，然后将玻璃熔液倒入模具中成形；将获得的玻璃放入电炉中在650-800度加热保温1-24小时使其发生部分晶化，得到玻璃陶瓷。

采用以上玻璃组分和制备工艺，成功制备了钴铒共掺含尖晶石ZnAl₂O₄纳米晶与正交相YF₃纳米晶均匀分布于氧化物玻璃基体的玻璃陶瓷，并成功实现了钴离子选择性进入尖晶石相铝酸锌纳米晶中形成四配位与铒离子选择性进入正交相氟化钇纳米晶，使得本发明玻璃陶瓷能兼具钴离子的可饱和吸与铒离子的受激辐射双重特性。玻璃陶瓷在1.1-1.7微米波段范围内有着宽的吸收带（如图），在976纳米激光激发条件下，玻璃陶瓷的1.54微米波段具有强的发射峰。

本发明的玻璃陶瓷双掺钴与铒离子，且通过晶化控制，实现了钴离子选择性进入具有四配位的尖晶石相ZnAl₂O₄纳米晶中，铒离子选择性进入低声子能量正交相YF₃纳米晶中，可以将钴离子良好的饱和吸收特性与铒离子优异的受激辐射性能很好的结合起来；此外，玻璃陶瓷制备工艺简单，成本低廉，因此有望开发出一种新型的自调Q激光材料。

附图说明

图1：实施例1中玻璃陶瓷样品的X射线粉未衍射图谱，表明析出尖晶石相ZnAl₂O₄与正交相YF₃两个晶相。

图2：实施例1中铒钴共掺玻璃陶瓷的吸收与发射谱

具体实施方式

实例1：将SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、NaF、LiF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃原料按36.8%SiO₂-23.5%Al₂O₃-8.5%ZnO-8.5%YF₃-6.0%NaF- 8.0%LiF-8.5%Ga₂O₃-0.1%CoO-0.1%ErF₃（摩尔比）的配比称量后混合均匀，而后置于坩埚中，在高温电炉中加热到1450度后保温0.5小时后，将玻璃熔液快速倒入铜模具中成型；将玻璃样品放入电炉在760度保温两小时后，得到淡兰色玻璃陶瓷。X射线粉未衍射分析（见附图1）表明该玻璃陶瓷中含有尖晶石相ZnAl₂O₄和正交相YF₃两个晶化相，其平均晶粒尺度分别为8和26纳米。透射电镜研究表明，该玻璃陶瓷中ZnAl₂O₄与YF₃晶粒均匀分布于氧化物玻璃基体中；电子能谱仪分析表明钴离子与铒离子分别偏聚于ZnAl₂O₄与YF₃纳米晶相中。样品经过表面抛光后，用Lambda900吸收光谱仪和FLS920荧光光谱仪测量得到了该玻璃陶瓷样品的吸收与发射谱（见附图2），发现该样品在1.1-1.7微米波段具有宽的吸收带，在1.54微米具有强的发射峰。测试结果表明成功实现了钴离子选择性进入尖晶石相铝酸锌纳米晶中形成四配位与铒离子选择性进入正交相氟化钇纳米晶，该玻璃陶瓷有望用作自调Q激光材料。

实例2：将SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、NaF、LiF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃原料按31.5%SiO₂-20%Al₂O₃- 5%ZnO-18%YF₃- 7%NaF-8%LiF- 5%Ga₂O₃-0.5%CoO-5%ErF₃（摩尔比）的配比称量后混合均匀，而后置于坩埚中，在高温电炉中加热到1350度后保温1小时后，将玻璃熔液快速倒入铜模具中成型；将玻璃样品在650度保温1小时后，得到兰色玻璃陶瓷。X射线粉未衍射表明该玻璃陶瓷中含有尖晶石相ZnAl₂O₄和正交相YF₃两个晶化相，其平均晶粒尺度分别为5和30纳米。样品经过表面抛光后，用Lambda900吸收光谱仪和FLS920荧光光谱仪测量得到了该玻璃陶瓷样品的吸收与发射谱，发现该样品在1.1-1.7微米波段具有宽的吸收带，在1.54微米具有强的发射峰。

实例3：将SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、LiF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃原料按41.5%SiO₂-28%Al₂O₃-15%ZnO-6%YF₃-4.3%LiF-5%Ga₂O₃- 0.1%CoO-0.1%ErF₃（摩尔比）的配比称量后混合均匀，而后置于坩埚中，在高温电炉中加热到1550度后保温2小时，将玻璃熔液快速倒入铜模具中成型；将玻璃样品在800度保温24小时后，得到兰色玻璃陶瓷。X射线粉未衍射表明该玻璃陶瓷中含有尖晶石相ZnAl₂O₄和正交相YF₃两个晶化相，其平均晶粒尺度分别为15和6纳米。样品经过表面抛光后，用Lambda900吸收光谱仪和FLS920荧光光谱仪测量得到了该玻璃陶瓷样品的吸收与发射谱，发现该样品在1.1-1.7微米波段具有宽的吸收带，在1.54微米具有强的发射峰。

实例4：将SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、NaF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃原料按31.7%SiO₂- 22%Al₂O₃-5%ZnO-8%YF₃-18%NaF-10%Ga₂O₃- 0.3%CoO-5%ErF₃（摩尔比）的配比称量后混合均匀，而后置于坩埚中，在高温电炉中加热到1450度后保温1小时，将玻璃熔液快速倒入铜模具中成型；将玻璃样品在720度保温4小时后，得到兰色透明玻璃陶瓷。X射线粉未衍射表明该玻璃陶瓷中含有尖晶石相ZnAl₂O₄和正交相YF₃两个晶化相，其平均晶粒尺度分别为10和26纳米。样品经过表面抛光后，用Lambda900吸收光谱仪和FLS920荧光光谱仪测量得到了该玻璃陶瓷样品的吸收与发射谱，发现该样品在1.1-1.7微米波段具有宽的吸收带，在1.54微米具有强的发射峰。

实例5：将SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、LiF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃原料按35.7%SiO₂- 22%Al₂O₃-5%ZnO-8%YF₃-18%LiF-10%Ga₂O₃- 0.3%CoO-1%ErF₃（摩尔比）的配比称量后混合均匀，而后置于坩埚中，在高温电炉中加热到1450度后保温1小时，将玻璃熔液快速倒入铜模具中成型；将玻璃样品在720度保温4小时后，得到兰色透明玻璃陶瓷。X射线粉未衍射表明该玻璃陶瓷中含有尖晶石相ZnAl₂O₄和正交相YF₃两个晶化相，其平均晶粒尺度分别为15和35纳米。样品经过表面抛光后，用Lambda900吸收光谱仪和FLS920荧光光谱仪测量得到了该玻璃陶瓷样品的吸收与发射谱，发现该样品在1.1-1.7微米波段具有宽的吸收带，在1.54微米具有强的发射峰。

实例6：将SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、NaF、LiF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃原料按35.8%SiO₂-23%Al₂O₃-5%ZnO-8%YF₃-7%NaF- 9%LiF-10%Ga₂O₃-0.2%CoO-2%ErF₃（摩尔比）的配比称量后混合均匀，而后置于坩埚中，在高温电炉中加热到1450度后保温1小时，将玻璃熔液快速倒入铜模具中成型；将玻璃样品在700度保温4小时后，得到兰色透明玻璃陶瓷。X射线粉未衍射表明该玻璃陶瓷中含有尖晶石ZnAl₂O₄和正交相YF₃两个晶化相，其平均晶粒尺度分别为14和30纳米。样品经过表面抛光后，用Lambda900吸收光谱仪和FLS920荧光光谱仪测量得到了该玻璃陶瓷样品的吸收与发射谱，发现该样品在1.1-1.7微米波段具有宽的吸收带，在1.54微米具有强的发射峰。

Claims

1.钴铒双掺玻璃陶瓷自调Q激光材料，其特征在于：其化学组分摩尔百分比为：SiO₂：31.5-41.5％，Al₂O₃：20-28％，ZnO：5-15％，YF₃：6-18％，NaF：0-18％，LiF：0-18％，Ga₂O₃：5-10％，CoO：0-0.5％，ErF₃：0-5％。

2.权利要求1所述的激光材料的制备方法，采用熔体急冷法制备，包括如下步骤：采用SiO₂、Al₂O₃、ZnO、YF₃、NaF、LiF、Ga₂O₃、CoO和ErF₃作为原料，混合均匀后加热到1350-1550度并保温0.5-2小时，而后，将熔融液制得玻璃，将该玻璃加热至650-800度并保温1-24小时。

3.权利要求1所述的激光材料用于1.54微米波段自调Q激光器。